模拟氧化酶的纳米酶的研究进展：JCIS多孔有机笼和氧化铁纳米晶复合自组装体的类酶活性研究

模拟氧化酶的纳米酶的研究进展：JCIS多孔有机笼和氧化铁纳米晶复合自组装体的类酶活性研究制备表征1）Fe3O4与Fe3O4-POC组装体的天然酶因其高周转率和底物选择性等特点，在医药、生物工程、工业催化和化妆品等领域得到了广泛应用，但由于成本高、对环境敏感、可回收性差等限制，制约了其实际应用。自2007年发现氧化铁纳米颗粒具有类过氧化物活性以来，纳米酶已被证明是一种新型的人工酶模拟物。纳米酶将纳米级系统与生物功能联系起来，在医学诊断和治疗领域显示出了广阔的应用前景。此外，颗粒表面工程可以使一系列酶表现出良好的活性。这些表面亲水的纳米酶将与水溶性底物相互作用，并引发相应的化学转化。当纳米颗粒表面覆盖有疏水分子层时，其是否仍具有类酶催化活性？近日，山东大学任放放、魏璟婧教授等人发表文章，采用乳液限域策略对不同尺寸的疏水分子层修饰的氧化铁(Fe3O4)纳米晶体和多孔有机笼(POCs)进行组装得到Fe3O4-POCs组装体。在3 3 ' 5 5 ' -四甲基联苯胺(

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*本文首发于“纳米酶Nanozymes”公众号，2022年4月28日

*编辑：俞纪元

天然酶因其高周转率和底物选择性等特点，在医药、生物工程、工业催化和化妆品等领域得到了广泛应用，但由于成本高、对环境敏感、可回收性差等限制，制约了其实际应用。自2007年发现氧化铁纳米颗粒具有类过氧化物活性以来，纳米酶已被证明是一种新型的人工酶模拟物。纳米酶将纳米级系统与生物功能联系起来，在医学诊断和治疗领域显示出了广阔的应用前景。此外，颗粒表面工程可以使一系列酶表现出良好的活性。这些表面亲水的纳米酶将与水溶性底物相互作用，并引发相应的化学转化。当纳米颗粒表面覆盖有疏水分子层时，其是否仍具有类酶催化活性？

近日，山东大学任放放、魏璟婧教授等人发表文章，采用乳液限域策略对不同尺寸的疏水分子层修饰的氧化铁(Fe3O4)纳米晶体和多孔有机笼(POCs)进行组装得到Fe3O4-POCs组装体。在3 3 ' 5 5 ' -四甲基联苯胺(TMB)和H2O2的存在下，评估了这些共组装体的过氧化物酶模拟活性。最后，将这些共组装物作为传感器用于检测葡萄糖和过氧化氢。

图1 Fe3O4纳米晶体与POCs分子共组装的示意图

1）Fe3O4与Fe3O4-POC组装体的

制备表征

作者根据课题组之前的报道合成了Fe3O4纳米晶体[1]，通过调整高温反应时间合成了不同尺寸（6.5 ~ 13.5 nm）且窄尺寸分布的疏水分子层包覆的Fe3O4纳米晶；通过Cooper等人开发的[4 6]环化反应合成了POCs分子[2]；进而通过O/W乳液限域组装，利用表面活性剂的脂肪链与颗粒烷基链及POCs的孔隙之间存在强烈的疏水相互作用，使这些组装体可以很好地分散在水中[3]。通过TEM图像(图2)可以观察到POC分子自组装成八面体晶体，Fe3O4纳米晶体在POC晶体的(111)面上自组装。XRD结果表明，Fe3O4-POCs组装体显示了POC晶体的保留晶体结构以及铁素体纳米晶体的晶体结构。

图2. 8.3 nm Fe3O4-POC组装体的TEM图像(a-b)；(c) POC组装体及Fe3O4-POC组装体的XRD谱图；(d) Fe3O4-POC组装体的N2吸附-脱附等温线和孔径分布图。

2）Fe3O4与Fe3O4-POC组装体的

类酶催化活性研究

作者对Fe3O4-POC和Fe3O4纳米晶组装体的催化性能进行了评估，如图3所示。Fe3O4-POC组装体比纳米晶Fe3O4具有更高的吸收效率，表明其作为过氧化物酶模型的催化能力更强。由于Fe3O4-POC组装体的催化活性取决于pH环境、催化反应温度、H2O2和TMB浓度，他们进一步研究了Fe3O4-POC组装体的最佳催化条件以及稳定性(图3)。

图3 (a) 8.3 nm Fe3O4纳米晶存在与否的TMB的紫外-可见吸收光谱，反应时间为3 min；(b c) Fe3O4-POC组装体的pH和温度依赖性过氧化物酶模拟活性测试结果；(d e) 不同的pH值和温度下Fe3O4-POC组装体2小时后的相对过氧化物酶模拟活性；不同TMB浓度(f)和H2O2浓度(g)下Fe3O4-POC组装体的反应速率。

3) 不同尺寸的Fe3O4纳米颗粒构筑的

Fe3O4-POC组装体的

类过氧化物酶活性

作者采用直径分别为6.5、8.3、9.1和13.5 nm的Fe3O4纳米晶体研究尺寸效应对催化效率的影响。图4表明， Fe3O4纳米颗粒与POCs晶体紧密接触，并组装成单层超晶格。进而对这些共组装体的过氧化物酶模拟活性进行了评估，结果表明相同尺寸的复合Fe3O4- POC组装体相较于纳米颗粒单组份组装体具有更高的催化活性。

图4 (a-c)不同尺寸Fe3O4纳米晶的混合Fe3O4- POC组件的TEM图像:(a) 6.3 nm；(b) 9.1 nm; (c) 13.5 nm；(d-e)通过Michaelis-Menten模型分析不同尺寸的Fe3O4纳米晶；(d) H2O2和(e) TMB杂化Fe3O4- POC组装的稳态动力学分析。

4）应用

基于Fe3O4-POCs组装体固有的过氧化物酶特性，作者设计了蓝色反应以检测H2O2和葡萄糖。图5表明，Fe3O4-POCs组装体对H2O2及葡萄糖均具有良好的灵敏度。

图5 在10 μM ~ 5 mM范围内，652 nm处的吸光度随H2O2浓度(a)和葡萄糖浓度(c)的变化而变化，相应的线性校准图分别显示在(b)和(d)中。

综上，作者通过O/W乳液限域的方法实现了Fe3O4纳米晶体在POC八面体晶体上的组装，形成了Fe3O4-POC组装体，并证明了Fe3O4-POC组装体具有固有的类过氧化物酶活性，催化反应符合典型的Michaelis-Menten动力学，且由于POCs晶体使纳米晶体的二维组装增加了人工酶和底物之间的接触面积，以TMB或H2O2为底物的Fe3O4-POC组装体的kcat/Km值比铁氧体高1~2倍。而在组装过程中，Fe3O4纳米颗粒包覆双层有机分子层，类似于脂质双层结构，即使纳米颗粒表面存在疏水双分子层，这些Fe3O4纳米颗粒也具有显著高的模拟类过氧化物酶活性。

[1] J. Hao Y. Yang F. Zhang Z. Yang J. Wei Faceted colloidal Au/Fe3O4 binary supracrystals dictated by intrinsic lattice structures and their collective optical properties J. Phys. Chem. C 124 (2020) 14775-14786.

[2] T. Tozawa J. T. Jones S. I. Swamy S. Jiang D. J. Adams S. Shakespeare R. Clowes D. Bradshaw T. Hasell S. Y. Chong C. Tang S. Thompson J. Parker A. Trewin J. Bacsa A. M. Slawin A. Steiner A. I. Cooper Porous organic cages Nat. Mater. 8 (2009) 973-978.

[3] M. Hua S. Wang Y. Gong J. Wei Z. Yang J.-K. Sun Hierarchically porous organic cages Angew. Chem. Int. Ed. 60 (2021) 12490-12497.

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撰稿：魏璟婧

审阅：戴 洁

编辑：周逸夫

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.04.027